Fou guardonat amb el premi Nobel de medicina i fisiologia l’any 2000 (conjuntament amb Paul Greengard i Eric Kandel) pels seus descobriments sobre el paper de la dopamina com a neurotransmissor cerebral i en el control dels moviments. Els seus treballs, desenvolupats durant la dècada del 1950 al 1960, determinaren que en la malaltia de Parkinson hi ha un dèficit de dopamina en algunes àrees cerebrals i el conduïren a proposar-ne l’ús de la L-dopa (molècula precursora que es converteix en dopamina al cervell) com a tractament, a més d’obrir la porta a la possibilitat de l’ús del trasplantament de cèl·lules productores de dopamina procedents d’animals o d’altres subjectes per a reemplaçar les que moren per la malaltia. En treballs posteriors contribuí a demostrar que les alteracions en la producció de dopamina i d’altres neurotransmissors estan involucrades en les malalties mentals, i potencià el desenvolupament de fàrmacs antidepressius i antipsicòtics.